La atmósfera de un joven planeta difiere inesperadamente de su lugar de nacimiento

Astrofísicos han descubierto una composición no coincidente de gases en la atmósfera de un nuevo planeta a 336 millones de años luz en comparación con los gases dentro del disco en el que nació.

El sorprendente hallazgo confirma potencialmente el escepticismo respecto a que el modelo actual sobre la formación de planetas es demasiado simplificado, según un equipo de astrofísicos dirigido por la Universidad Northwestern que firma el trabajo, aceptado poara ser publicado en Astrophysical Journal Letters. Es la primera vez que los físicos comparan información de un exoplaneta, su disco natal y su estrella anfitriona.

"Para los astrofísicos observacionales, una imagen ampliamente aceptada de la formación de planetas probablemente era demasiado simplificada", dijo el asociado postdoctoral Chih-Chun Hsu, del Centro de Exploración e Investigación Interdisciplinaria en Astrofísica (CIERA) en Northwestern, quien dirigió el estudio.

"Según esa imagen simplificada, la proporción de gases de carbono y oxígeno en la atmósfera de un planeta debería coincidir con la proporción de gases de carbono y oxígeno en su disco natal, asumiendo que el planeta acumula materiales a través de los gases en su disco. En cambio, encontramos un planeta con una proporción de carbono y oxígeno mucho menor en comparación con su disco. Ahora podemos confirmar las sospechas de que la imagen de la formación de planetas era demasiado simplificada".

Todos los planetas nacen de un disco natal, un disco giratorio de gas y polvo que rodea a una nueva estrella. Durante millones de años, la gravedad atrae el gas y el polvo para formar acumulaciones que eventualmente se convierten en planetas. Hasta hace poco era imposible obtener una vista directa de un disco natal para poder seguir el nacimiento de un planeta. La mayoría de los exoplanetas observables son demasiado viejos, por lo que sus discos natales ya han desaparecido.

La excepción, sin embargo, es PDS 70, un disco natal que envuelve dos incipientes exoplanetas gigantes gaseosos, similares a Júpiter, llamados PDS 70b y PDS 70c. Ubicados a sólo 366 millones de años luz de la Tierra, dentro de la constelación de Centauro, los planetas tienen, como máximo, cinco millones de años de edad.

"Este es un sistema en el que vemos ambos planetas todavía formándose, así como los materiales a partir de los cuales se formaron", dijo el coautor y profesor de Astrofísica Jason Wang. "Estudios anteriores han analizado este disco de gas para comprender su composición. Por primera vez, pudimos medir la composición del planeta aún en formación y ver cómo de similares son los materiales en el planeta en comparación con los materiales en el disco".

Para medir los materiales, Hsu, Wang y su equipo examinaron la luz emitida por el PDS 70b. Esta luz, o espectros, es como una huella digital, que revela la composición, el movimiento, la temperatura y otras características de un objeto. Cada molécula o elemento produce su propio espectro. Al estudiar estos espectros, los investigadores pueden identificar las moléculas o elementos específicos dentro de un objeto.

En trabajos anteriores, Wang había codesarrollado nuevas tecnologías fotónicas para permitir a los astrónomos capturar el espectro de objetos débiles específicos cerca de muchas estrellas más brillantes. Los investigadores utilizaron esta técnica para centrarse en las características débiles del joven sistema planetario.

"Estas nuevas herramientas permiten tomar espectros realmente detallados de objetos débiles junto a objetos realmente brillantes", dijo Wang. "Porque el desafío aquí es que hay un planeta realmente débil al lado de una estrella realmente brillante. Es difícil aislar la luz del planeta para analizar su atmósfera".

Con los espectros, los investigadores obtuvieron información sobre el monóxido de carbono y el agua del PDS 70b. A partir de ahí, calcularon la proporción inferida de carbono y oxígeno dentro de la atmósfera del planeta. Luego, compararon esa proporción con mediciones de gases en el disco informadas anteriormente.

"Inicialmente esperábamos que la proporción de carbono a oxígeno en el planeta fuera similar a la del disco", dijo Hsu. "Pero, en cambio, encontramos que la proporción de carbono, en relación con el oxígeno, en el planeta era mucho menor que la proporción en el disco. Eso fue un poco sorprendente, y muestra que nuestra imagen ampliamente aceptada de la formación de planetas era demasiado simplificada".

Para explicar este desajuste, Hsu y Wang creen que podrían estar en juego dos escenarios diferentes. Una explicación es que el planeta podría haberse formado antes de que su disco se enriqueciera en carbono. Otra explicación es que el planeta podría haber crecido principalmente absorbiendo grandes cantidades de materiales sólidos además de gases. Si bien los espectros muestran sólo gases, parte del carbono y el oxígeno inicialmente podrían acrecentarse a partir de sólidos atrapados en hielo y polvo.

"Si el planeta absorbiera preferentemente hielo y polvo, entonces ese hielo y polvo se habrían evaporado antes de ingresar al planeta", dijo Wang. "Por lo tanto, podría estarnos diciendo que no podemos simplemente comparar gas versus gas. Los componentes sólidos podrían marcar una gran diferencia en la proporción de carbono a oxígeno".